Le carbone est le constituant majeur de deux gaz à effet de serre, CO2 et CH4, sans lequel il ne saurait y avoir de vie sur terre ; son recyclage influence particulièrement la productivité biologique et le climat.

Dans la nature, le carbone se retrouve sous deux formes : le carbone organique (C_org) et le carbone inorganique (C_inorg).

• Le C_org est produit par des organismes vivants ; il est lié à d'autres carbones ou à des éléments comme l'hydrogène (H), l’oxygène (O), l'azote (N) ou le phosphore (P) dans les molécules organiques (les hydrocarbures sont un cas particulier contenant seulement des atomes de carbone et d'hydrogène)..
• Le C_inorg est est associé à des composés qui ne sont pas liés au vivant, par exemple le carbone du CO₂ atmosphérique ou celui des carbonates comme le calcaire CaCO₃.

Le carbone dans le sol

Le carbone dans le sol

Le stock de carbone organique présent dans les sols naturels présente un équilibre dynamique entre les apports de débris végétaux et de déjections animales et la perte due à leur décomposition.
Tous les sols ne stockent pas la même quantité de carbone selon leur nature et surtout leur utilisation. Ainsi, limiter le labour ou maintenir la forêt améliore le stockage du carbone dans le sol.

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Le carbone dans la plante

Les plantes absorbent le carbone du CO₂ de l’air par photosynthèsephotosynthèseDéfinition: La photosynthèse végétale consiste à réduire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par l'eau absorbée par les racines à l'aide de l'énergie solaire captée par les feuilles, en présence de sels minéraux, avec libération d'oxygène, afin de produire des glucides....
, lors de leur croissance. Le carbone est alors stocké dans les végétaux. En fin de cycle cultural ou en fin de saison pour les cultures pérennes, les résidus retournent au sol. Après dégradation de ceux-ci, le carbone s’organise pour donner des molécules de plus en plus complexes et de plus en plus stables.

Dans le cycle court du carbone qui s’étale sur moins de un siècle et qui affecte l’équilibre du CO₂ dans l’atmosphère, il faut distinguer 3 réactions de base :

• La photosynthèsephotosynthèseDéfinition: La photosynthèse végétale consiste à réduire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par l'eau absorbée par les racines à l'aide de l'énergie solaire captée par les feuilles, en présence de sels minéraux, avec libération d'oxygène, afin de produire des glucides....
  utilise l’énergie solaire pour synthétiser la matière organique et fixer le carbone dans les glucides (sucres) (CH₂O)_n 

L'équation de la photosynthèsephotosynthèseDéfinition: La photosynthèse végétale consiste à réduire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par l'eau absorbée par les racines à l'aide de l'énergie solaire captée par les feuilles, en présence de sels minéraux, avec libération d'oxygène, afin de produire des glucides....
peut se résumer à :
n (CO₂ + H₂O) + énergie solaire → (CH₂O)_n + n O₂

• La respiration est l'inverse de la photosynthèsephotosynthèseDéfinition: La photosynthèse végétale consiste à réduire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par l'eau absorbée par les racines à l'aide de l'énergie solaire captée par les feuilles, en présence de sels minéraux, avec libération d'oxygène, afin de produire des glucides....
  : elle transforme toute matière organique en CO2, à partir de l'oxygène libre O₂  

L'équation de la respiration peut se résumer à :
(CH₂O)_n + n O₂ → n (CO₂ + H₂O)

• La fermentation, en milieu aérobie (présence d’oxygène) produit du dioxyde de carbone et en milieu anaérobie (absence d’oxygène) du méthane (l'hydrocarbure le plus simple, avec une seule molécule de carbone).

L'équation de la fermentation en milieu aérobie peut se résumer à :
(CH₂O)_n + n O₂ → n (CO₂ + H₂O)

L'équation de la fermentation en milieu anaérobie peut se résumer à :
(CH₂O)n → n (CH₄ + CO₂)/2

Le cycle long du carbone organique qui intervient sur des processus géologiques se déroule sur des milliers et des millions d’années, tels l'enfouissement des matières organiques dans les sédiments et roches sédimentaires, leur transformation en combustibles fossiles et leur altération (oxygénation). Les flux de carbone liés à ces processus sont faibles.

Les organismes vivants, pour assurer leur subsistance, ont besoin de l'apport constant de certains éléments comme le carbone, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le phosphore et le soufre.

Ces éléments circulent continuellement entre la biosphère (le monde vivant), la géosphère (le sol), l'atmosphère (air) et l'hydrosphère (eau). Cette circulation définit un cycle biogéochimique.

Dans les milieux naturels, les flux s'équilibrent et les stocks varient lentement à l'échelle des siècles ou des millénaires, le recyclage se fait souvent sur place. Les activités humaines entraînent toutefois l'intensification des flux d'éléments et leur circulation sur de grandes distances. La population continue de croître rapidement et elle s'urbanise fortement à l'échelle mondiale.

Il en résulte des enjeux très importants tels que:

1. Le réchauffement climatique lié à l’augmentation de la quantité de CO₂ dans l’atmosphère et d’autres gaz à effet de serre
2. L’épuisement de certaines ressources minérales
3. L’impact lié à l’augmentation de la concentration de certains éléments dans des milieux fragiles (phosphore, nitrate)

L’agriculture entraîne des flux et des effets très importants sur les stocks de carbone, d’azote, mais aussi de phosphore, de potassium et d’autres éléments. Les effets sont multiples : la mise en culture consomme une partie du stock de carbone organique du sol mais à l’inverse la culture fixe plus de dioxyde de carbone de l’air par la photosynthèsephotosynthèseDéfinition: La photosynthèse végétale consiste à réduire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par l'eau absorbée par les racines à l'aide de l'énergie solaire captée par les feuilles, en présence de sels minéraux, avec libération d'oxygène, afin de produire des glucides....
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La fertilisation occupe un rôle déterminant car elle joue sur les flux d’entrées de plusieurs éléments importants dans les sols par l’apport de fertilisants. La maîtrise de la fertilisation est un levier d’action déterminant pour améliorer la gestion des cycles. Les pistes d’amélioration sont nombreuses :

• Mieux ajuster les apports aux besoins des cultures
• Favoriser le recyclage des sous produits organiques des élevages et des autres activités
• Limiter les pertes par transfert depuis la parcelle vers d’autres milieux (air, eau, autres espaces).

Une compréhension globale du cycle de chaque élément est nécessaire pour bien comprendre la place de la fertilisation. Cette connaissance met l’accent sur les changements de forme de l’élément et les transferts du système sol-plante vers les autres milieux. On n’étudiera pas ici le cycle de l’eau tout à fait essentiel, pour se limiter aux éléments minéraux indispensables à la croissance des plantes.

Le cycle du carbone

Le cycle de l'azote

Le cycle du soufre

Le cycle du phosphore

Le cycle des cations K, Ca, Mg